英飞凌PROFET Load Guard提供电子负载保护 自动驾驶汽车的守护者

本文作者：儒卓力汽车业务部门(ABU)产品销售经理Ralf Hickl

未来越来越重要的是：汽车电气系统中的智能配电。通过使用英飞凌的全新元件，智能配电设计变得轻而易举。PROFET Load Guard是受保护高压侧开关系列的最新成员，其功能专为保护电子负载和配电架构而设计。

随着先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶不断发展，要求为不断增多的控制单元提供智能化的安全供电。这就要求对电气系统进行保护，防止有缺陷的用电设备造成过流甚至短路。

可通过多种方式提供保护功能：一方面，采取措施限制单个用电设备的电流；另一方面，在电气系统出现长时间电压下降之前，迅速断开有故障的用电设备或有故障的电气系统部分与系统其他部分的连接。否则，长时间的电压下降会迫使ADAS 重要功能的 ECU 进入欠压复位，从而短暂禁用与安全相关的功能。

传统的保险丝和继电器无法胜任这一任务，因为它们的开关速度比智能半导体模块低 100 倍。这会使敏感负载和电源面临过载风险。此外，熔化的保险丝必须更换，而且不能像半导体模块那样复位。这不是选择方案，尤其不适合未来的区域架构。

新功能

英飞凌新型PROFET Load Guard系列产品完美结合了保护和诊断功能，适用于设计未来的 ADAS 系统。这款灵活的高压侧电源开关具有多种功能，如电源保护、负载控制和保护、自我保护和电线保护。由于PROFET Load Guard可限制浪涌，因此也适用于切换电容性负载。电容性负载开关模式（CLS 模式）还可快速接通大型电容器，而不会发生模块热过载。由于可调节电流限制，该元件还能保护传感器供电线路中的敏感滤波元件（关键词：同轴电缆供电）。实际电流值的公差比(kILIS)非常精确，因此还能对负载状况进行精确诊断。

图1显示应用实例：通过同轴电缆为两个 ADAS ECU（本例中用于摄像头）供电，由滤波器隔离信号（图中为数据）和电源电压。如果摄像头造成短路，PROFET Load Guard（图中蓝色部分）会将负载电流限制在预设值内。一方面，电流限制可保护滤波器线圈（PoC），防止负载端过热。另一方面，DC/DC电源也能保持在规定的负载范围内，并能够继续为另一个摄像头供电，而不会出现任何问题。因此，电流限制可确保负载电路之间不受干扰。

图 1：PROFET Load Guard 12V使用案例：通过同轴电缆为 ADAS摄像头供电。(图片来源：英飞凌）

可调节电流限制技术的最新发展

图2显示PROFET Load Guard系列产品 BTG7090-2EPL 及其内部功能块框图。这款过流限制模块是全新的功能模块。与前代产品相比，PROFET Load Guard在发生过流时不会简单地关闭，而是继续运行，并且将输出电流限制在预设限值内。

图2：PROFET Load Guard BTG7090-2EPL框图。(图片来源：英飞凌）

为此，BTG7090-2EPL配备了可调节电流限制功能，外部电阻用于配置最大电流。在过载情况下，输出电流被限制在电阻器设定的极限电流范围内，PROFET Load Guard的输出晶体管进入线性工作状态。晶体管中产生的功率损耗会加热元件。只有当芯片温度或温度梯度达到一定的最大值时，元件才会关闭受影响的通道以保护自身。然后，重试策略开始发挥作用，这是自动重启和锁定功能的结合：在关闭后，芯片温度再次下降，PROFET Load Guard会自动重新开启（假设控制输入端有持续的高压信号）。如果六次重启尝试失败，输出级将永久关闭（锁定）。控制输入端的低-高序列将重置内部重试计数器，并重新开启输出。

由于电流限制可调节，该模块在应用中具有很高的灵活性。通过选择电阻器，其功能可适应不断变化的要求。

在自我保护方面，依靠温度监控器在温度过高时关闭开关。当然，控制微控制器也可以关闭 PROFET Load Guard。感应引脚上的诊断反馈信号可作为决策依据。因此，该模块还能提供负载当前功耗的精确反馈(±5%)。

处理回流电流减少功率损耗

PROFETLoad Guard只能关闭一个方向的电流。在另一个方向上，即使通道本身不导通，MOSFET 的本体二极管也会导通。例如，在作为负载的再生电机中就存在作为负载的再生电机中就存在电流回流。体二极管中可能会产生高功率损耗，使得芯片发热，也可能使相邻通道发热，从而导致它们关断。
反向开启（InverseOn）产品功能允许内部 MOSFET 在回流电流处于一定限制范围内时开启。其优势在于：发生在 MOSFET通道中的功率损耗小于发生在体二极管中的功率损耗。

借助电容性负载开关 (CLS) 功能块，PROFET Load Guard还适用于大型电容性负载的快速充电和开关。为此，输入由特定的 PWM 控制，该PWM信号使模块进入具有连续自动重启关闭策略的 CLS 模式。开关周期不断重复 “导通并提供限流” 和 “由于温度陡升保护而关断”，直到输出晶体管在导通状态下的压降低于某一特定值。在这种情况下，认为电容性负载已充分充电。之后，PWM 将被永久切换，并由控制输入端的高电平所取代。优点是在此期间，模块仍处于规定的安全工作区 (SOA)。

图 3：带有两个通道并采用14引脚TSDSO封装的PROFET Load Guard。(图片来源：英飞凌）

可用性、模拟性能和评测板

PROFET Load Guard已通过ISO-26262。因此，英飞凌在安全应用说明 (SAN)中提供了相关信息，有助于将该组件集成到功能安全系统中。首款衍生产品是双通道 BTG7090-2EPL，儒卓力可应要求提供样品。量产已于 2022 年底开始。感兴趣的用户可在网页www.infineon.com/profetloadguard上找到数据表、仿真模型和其他工具。

为了便于评测，英飞凌提供两块用于组装套件的电路板：主板 PROFET ONE4ALL MB V1 和子板 BTG7090-2EPL DAUGH BRD（图4）。

图4：带有PROFET Load Guard的子板。(图片来源：英飞凌）

结合使用英飞凌的μIO-Stick和Config Wizard GUI，可以对模块进行配置、控制和测试。

总结

ADAS需要在车辆电气系统中提供可靠的电源。为此，必须保护电气系统不受其他有缺陷且有过大电流需求的用电设备的影响。PROFET Load Guard的限流功能可根据系统要求进行调整，首先不允许输出端出现危险的短路电流和峰值电流，从而保护负载和12V电源免受过载影响。